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Robert Naeye
译自Sky & Telescope, Vol. 112, No. 2 (2004)

长期以来伽玛射线暴（GRB）一直背有恶名。新闻报道中常将其描述为“大爆炸以来最猛烈的爆发”、“黑洞诞生的呐喊”，以及“死星”或“死亡射线”，它们在宇宙的各处发泄着破坏力，摧毁一切。

很难因为夸张而去抱怨传媒。自然母亲将相当于数十亿颗太阳的狂暴能量注入高能辐射脉冲，并产生持续仅数秒但却照彻整个宇宙的惊人疯狂的咆哮时，GRB诞生了。

自从美国的监视卫星1960年代监督前苏联秘密核试验时偶尔发现GRB以来，天文学家就为之困惑。是什么东西能在如此短的时间内喷射出如此巨大的能量呢？爆发随机地来自全天各处，并且很快消失，没有给天文学家留下任何可以用于追踪的东西。由于限制想象力的数据很少，理论很快就超过了探测到的爆发数量。

但凭借新一代卫星、精细的计算机模型和科学头脑的力量，这一领域正经历着理论与观测的和谐会聚。如果说宣称天文学家已经完全了解GRB尚数狂妄的话，他们在每一方面以接近于此却是事实。

天体物理学家使用计算机模拟与伽玛射线暴有关的极端物理过程。这张模拟截图展示了相对论性喷流产生27.2秒后冲出沃尔夫—拉叶星的情况。低、中、高密度区域分别用蓝、红、黄三种颜色表示。当喷流穿出恒星之后，内激波引发了GRB。（图片提供：Weiqun Zhang/Stan Woosley）

　

GRB简史

突破发生在1997年，当时意大利和荷兰合作的BeppoSAX卫星可以在足够短的时间内瞄准爆发的方位，其他的望远镜就可以捕获到变暗的余辉并确定其方位。余辉通常出现在极其遥远、黯淡的星系的恒星形成区中。这一关键信息说明，GRB是与大质量恒星相联系的极高能爆发，这类恒星寿命很短，它们一生中不会偏离形成的地方太远。

之后的1998年4月25日，BeppoSAX在一个距离地球1.2亿光年的星系中探测到了一次极端黯淡的爆发（根据时间，它被命名为GRB 980425）。仅仅2.5天后，天文学家注意到，在同一位置出现了一颗超新星（SN 1998bw）——这明确说明，GRB来自爆发的大质量恒星。随后人们发现了其他类似的成协现象，支持了GRB和超新星的联系。

只有少数几个GRB的距离近到足以让天文学家观测到成协的超新星。但在每一个这样的例子中，超新星都属Ic型，也就是说其光谱中没有氢和氦的谱线。这一发现强烈支持了GRB前身是沃尔夫—拉叶（Wolf-Rayet）星，也就是外层氢和氦包层已被猛烈的星风吹掉的大质量恒星的推测。

1999年，在数以百计试图解释GRB的相互竞争的理论中出现了一个明显的胜利者：加州大学Santa Cruz分校的Stan Woosley和他的研究生Andrew MacFadyen（现在在高等研究所工作）提出的“坍缩星（collapsar）”模型。他们的计算机模拟说明了当快速旋转的沃尔夫—拉叶星核心耗尽核燃料并产生上黑洞的时候，那里究竟会发生什么。他们发现，向内流入的恒星物质形成了一个小而致密的吸积盘，在几十秒的时间内盘内物质流向黑洞。扭曲的磁力线使相当于一个地球质量的抛射物和大量的电磁能形成两股喷流，喷流沿濒死恒星的自转轴方向以接近光速的相对论性速度穿过。

这张动画截图展现了形成GRB中央引擎的黑洞和吸积盘。黑洞位于图中央，吸积盘位于黑洞两侧区域，截面以棕色和红色表示。（图片提供：Andrew MacFadyen/Weiqun Zhang/Stan Woosley）

如这张模拟截图所示，坍缩星机制产生了相对论性喷流。图中喷流内和喷流周围的湍流清晰可见。喷流能量主要是电磁能，其中的物质令人吃惊地少。（图片提供：Andrew MacFadyen/Weiqun Zhang/Stan Woosley）

GRB本身的成因仍是有争议的。在由英国剑桥大学的Martin Rees、宾夕法尼亚州立大学的Peter Mészáros、以色列耶路撒冷希伯莱大学的Tsvi Piran及其他人发展的“内激波（internal shock）”模型中，爆发源自喷流抛射物形成的壳层在濒死恒星之外很远处逐一碰撞。

坍缩星模型指出，我们只能观测到喷流恰好指向地球的GRB。MacFadyen说：“这意味着我们每看到一个GRB，就忽视了几百个。这也意味着产生爆发所需的能量比原先认为的小上数百倍，因为原来我们假定GRB在每个方向上都发射能量。对能量的需求减少了，但它们仍旧是极端高能的。”

GRB余辉在X射线、可见光和射电波段的性质与坍缩星模型的预言吻合得很好。在突然变暗之前的几天中，余辉的亮度会逐渐减小，这说明只有几度宽的相对论性喷流正在猛烈地减速，并在星际气体中艰难前进的过程中释放着能量。

2000年，天文学家还确知了GRB分为两类：持续时间几秒至几十秒，相对较“软”（能量低）的长暴和持续0.01秒至2-3秒的“硬”短暴。长暴可以与大质量恒星的死亡相关联。但由于此时没有观测到余辉，短暴仍旧是个谜。

同样清楚的是，约有1/3的长暴软到了辐射峰值在能量较低的X射线波段的程度。天文学家开始将这类事件称为“X射线闪（X-ray flash，XRF）”，以代替GRB。

虽然取得了这些突破，截至2004年，天文学家仍存在许多问题。有多少超新星与GRB成协？在宇宙的历史中，GRB的发生频率与能量有什么变化？GRB与XRF本质上是不是一回事？而短暴的成因又是什么？为回答这些问题，天文学家需要更好的数据。

2003年3月29日的GRB逐渐变暗的余辉，该GRB与超新星成协。（图片提供：ESO）

　

雨燕时代

NASA分别在2000年和2004年发射的的高能暂现源探测器2号（High Energy Transient Explorer 2，HETE）和雨燕（Swift）卫星登场了。这些开销相对低的计划带来了今天狂热的活动，每天在互联网上都有几篇新发表的GRB相关论文。

雨燕卫星带着这样的名字，由于可以迅速转向爆发处并由紫外/可见光和X射线望远镜迅速进行后续观测，它将GRB的研究提升到了新的高度。每周雨燕可以观测到2次爆发，并在几分钟内向专业的和业余的天文学家报信（经常在半夜打响他们的手机）。这使得在全世界和太空中开展及时的后继观测成为可能。

凭借雨燕卫星，天文学家取得了一系列显著的进展：

- 雨燕探测到了数个破记录的高红移GRB（红移测量的是天体辐射的光线因宇宙膨胀而拉伸的程度），包括发生在2005年9月4日，红移6.29的超大能量爆发——它的辐射来自大爆炸后仅仅9亿年。这几乎与目前已知最遥远的类星体和星系的距离相当。人们确认，更远的爆发随后会探测到，红移甚至可能超过10。如此遥远的爆发为研究青年宇宙的状况和早期恒星的性质提供了黄金机会。

- 雨燕卫星发现，约1/3的长暴在主爆发后的几分钟到几小时时间内有X射线耀发（X-ray flare）的现象。大多数天文学家将这些爆发看作是抛射物落回黑洞的结果。红移6.29的GRB在爆发后的1小时，出现了尤其猛烈的耀发，这是最遥远的爆发的典型活动现象。

- 2006年2月18日，雨燕和其他卫星发现了一个长暴。该爆发发生在一个距离地球“只有”4.7亿光年的星系内，它是目前已确定距离的爆发中距离我们第二近的（仅次于GRB 980425）。GRB 060218持续时间33分钟，比先前所见任何爆发都要长。它同样与一颗Ic型超新星（SN 2006aj）成协。但天文学家很快注意到，该爆发超软，现在大多数人称其为X射线闪而非GRB。虽然该事件持续时间很长，但它辐射的总能量却是长暴中较少的。正如来自NASA戈达德航天中心的雨燕卫星首席科学家Neil Gehrel所说：“该爆发与任何先前所见都有很大不同。”

一些天文学家推测，这颗恒星的核心坍缩成了快速旋转的中子星而非黑洞，因而它产生的是宽阔的中等相对论性喷流，而非狭窄的高相对论性喷流。这一事件可能说明了一次几乎失败的GRB——抛射物将将穿出了恒星。

象980425和060218这样的邻近GRB释放的总能量只相当于高红移GRB的1%至10%，这说明了前身星的一些关键区别。实际上，雨燕和其他卫星的能力不足以探测到10亿光年以外的低亮度爆发。但由于能量较低的爆发占据了邻近事件的多数，在整个宇宙中它们可能也是数量最多的。